基于電子動態(tài)調(diào)控的三維周期結(jié)構(gòu)加工方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于電子動態(tài)調(diào)控的三維周期結(jié)構(gòu)加工方法，屬于飛秒激光應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明中針對材料特性，采用電子動態(tài)調(diào)控的飛秒激光脈沖序列代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單脈沖，從根本上實現(xiàn)了控制激光與材料相互作用過程中的局部瞬時電子動態(tài)及后續(xù)相變過程，本方法能夠更加準(zhǔn)確的獲得三維圓錐狀周期結(jié)構(gòu)或者一維類光柵結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)加工中調(diào)節(jié)能量或脈沖個數(shù)精度低的問題。
【專利說明】基于電子動態(tài)調(diào)控的三維周期結(jié)構(gòu)加工方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于電子動態(tài)調(diào)控的三維周期結(jié)構(gòu)加工方法，屬于飛秒激光應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]對于金屬，半導(dǎo)體，電介質(zhì)材料，在飛秒激光輻照之下都可以出現(xiàn)永久性的表面周期性結(jié)構(gòu)。飛秒激光誘導(dǎo)表面周期性結(jié)構(gòu)在突破衍射極限的納米光柵、微光學(xué)器件、功能性表面制備(改變表面光學(xué)、光電、浸潤特性等)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
[0003]長脈沖激光(納秒、皮秒等)在材料表面輻照后會出現(xiàn)周期近似入射光波長的周期性結(jié)構(gòu)。飛秒激光出現(xiàn)后，周期明顯小于入射光波的亞波長表面周期性結(jié)構(gòu)開始被人們發(fā)現(xiàn)。通過改變?nèi)肷涔獾拿}寬、能量密度及脈沖數(shù)目等，都會對表面周期性結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。E.M.Hsu, T.H.R.Crawford, H.F.TiedjeandH.K.Haugen, App1.Phys.Lett.91, 111102 (2007)中，作者改變飛秒激光的脈寬在150fs-7ns的范圍內(nèi)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)脈寬大于80ps時基本都是近波長周期結(jié)構(gòu)，亞波長周期結(jié)構(gòu)僅出現(xiàn)于脈寬小于SOps的情況。但這種方法的參數(shù)變化范圍較大，不利于準(zhǔn)確的控制結(jié)構(gòu)周期的大小，且僅局限于改變結(jié)構(gòu)的周期。A.Rosenfeld, M.Rohloff, S.Hohm, J.Kruger, J.Bonse, Appl.Sur.Sc1.258,9233(2012)中，作者采用雙脈沖的方法，脈沖間隔為40ps時，亞波長周期結(jié)構(gòu)完全取代了近波長周期性結(jié)構(gòu)。同樣的，這種方法只改變了表面周期性結(jié)構(gòu)的周期，所得結(jié)構(gòu)仍為一維的光柵結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了克服飛秒激光誘導(dǎo)表面周期性結(jié)構(gòu)可控性低的問題，提出一種基于電子動態(tài)調(diào)控的三維周期結(jié)構(gòu)加工方法，通過飛秒激光脈沖序列的時域脈沖整形技術(shù)提高表面周期性結(jié)構(gòu)的可控性。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)來實現(xiàn)的:
[0006]步驟一、設(shè)計飛秒激光脈沖序列。
[0007]具體設(shè)計方法為:通過脈沖整形器進行飛秒激光脈沖整形，將一個脈寬為nfs的激光脈沖在時域上分成三個脈寬均為nfs的子脈沖，其中30fs < n < 200fs。這三個子脈沖間的兩個脈沖延遲分別為h和t2，且h和t2均為飛秒量級，分別獨立可調(diào)，從而得到一組飛秒激光脈沖序列；然后在飛秒尺度調(diào)整脈沖延遲參數(shù)，使得飛秒激光脈沖序列與加工材料相互作用過程中能改變材料的局部瞬時電子動態(tài)。
[0008]所述局部瞬時電子動態(tài)包括電子激發(fā)、電離、復(fù)合過程以及自由電子密度、溫度。
[0009]相鄰兩組飛秒激光脈沖序列間的時間間隔為ms-s量級。
[0010]所述加工材料為絕緣體。
[0011]步驟二、將步驟 一得到的飛秒激光脈沖序列，入射到加工物鏡中聚焦，并保持激光焦點聚焦到樣品表面。
[0012]步驟三、通過置于脈沖整形器入口前的光學(xué)器件調(diào)整脈沖序列的總能量，使之高于樣品材料的燒蝕閾值。
[0013]步驟四、用調(diào)整能量后的飛秒激光脈沖序列按照圖紙進行加工，通過脈沖整形器控制h和t2的大小，得到不同的周期結(jié)構(gòu)。
[0014]所述周期結(jié)構(gòu)為激光燒蝕導(dǎo)致表面材料去除后得到的具有特定周期的結(jié)構(gòu)，包括由一系列凹槽和凸起組成的一維類光柵結(jié)構(gòu)(其中兩個相鄰的凹槽之間的距離為一個周期)，和三維圓錐狀周期結(jié)構(gòu)(其中兩個相鄰錐體之間的距離為一個周期)。
[0015]具體控制方法如下:
[0016]當(dāng)調(diào)節(jié)其中一個脈沖延遲h或t2小于nfs時，飛秒激光脈沖序列輻照樣品表面得到周期為近波長(周期小于波長，大于波長的一半)的一維類光柵結(jié)構(gòu)，此時調(diào)節(jié)另一個脈沖延遲不會對周期結(jié)構(gòu)的類型產(chǎn)生影響，只改變一維類光柵結(jié)構(gòu)的周期。
[0017]當(dāng)調(diào)節(jié)其中一個脈沖延遲h或t2大于等于nfs而小于2nfs，調(diào)節(jié)另一個脈沖延遲至大于2nfs時，得到三維的圓錐狀周期結(jié)構(gòu)。
[0018]當(dāng)調(diào)節(jié)tl和t2均大于等于2n fs時，得到亞波長(周期小于波長的一半)的一維類光柵結(jié)構(gòu)，此時一維類光柵結(jié)構(gòu)方向與近波長的一維類光柵結(jié)構(gòu)垂直。
[0019]步驟五、控制輻照到樣品表面的脈沖序列個數(shù)，使得總個數(shù)小于50，以得到均勻的周期結(jié)構(gòu)。
[0020]有益效果
[0021]1、本發(fā)明中采用針對材料特性調(diào)制的飛秒激光脈沖序列代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單脈沖，從根本上實現(xiàn)了控制激光與材料相互作用過程中的局部瞬時電子動態(tài)及后續(xù)相變過程，因此該方法能夠更加準(zhǔn)確的獲得所需的周期結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)加工中調(diào)節(jié)能量或脈沖個數(shù)精度低的問題。
[0022]2、使用本發(fā)明設(shè)計的脈沖序列可以得到直徑為100-150nm，高度為200nm的三維圓錐狀周期結(jié)構(gòu)，而在相同條件下傳統(tǒng)飛秒激光單脈沖加工方法無法得到這一結(jié)構(gòu)。
[0023]3、本發(fā)明在空氣中即可進行，無需真空環(huán)境或液體、氣體輔助，節(jié)約了加工成本，提高了加工效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明的飛秒激光脈沖序列設(shè)計圖；
[0025]圖2為具體實施例中，采用本發(fā)明方法得到的三維圓錐狀周期結(jié)構(gòu)實驗效果圖；
[0026]標(biāo)號說明:1 一脈沖延遲&、2—脈沖延遲t2、3—脈沖序列間隔。
【具體實施方式】
[0027]本發(fā)明提出了一種基于電子動態(tài)調(diào)控的飛秒激光脈沖序列以提高周期結(jié)構(gòu)加工可控性的方法，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步說明:
[0028]飛秒激光系統(tǒng)采用美國光譜物理(SpectrumPhysics)公司生產(chǎn)的激光器,飛秒激光為線偏振，中心波長800nm，脈沖寬度35fs，重復(fù)頻率ΙΚΗζ，單脈沖最大能量3mJ，光強分布為高斯型。
[0029]脈沖整形器為美國Biophotonic公司生產(chǎn)的MIIPSbox,它可以把一個傳統(tǒng)的飛秒激光脈沖整形成一個由數(shù)個子脈沖組成的脈沖序列，如圖1所示，其中每個脈沖序列中子脈沖的脈寬為50fs，子脈沖個數(shù)、子脈沖間的脈沖延遲、能量分配比例等參數(shù)均可調(diào)。
[0030]試驗樣品為熔融石英，尺寸為IcmX lcmX0.5mm，雙面進行光學(xué)級拋光，表面粗糙度小于5埃。
[0031]步驟一:飛秒激光器產(chǎn)生傳統(tǒng)的飛秒激光單脈沖，每個飛秒激光脈沖間的時間間隔為時間3，利用半波片和偏振片的組合調(diào)節(jié)激光脈沖能量到200mw以下，以滿足脈沖整形器的入口功率；
[0032]步驟二:設(shè)定脈沖整形器參數(shù)，進入脈沖整形器的飛秒激光單脈沖被調(diào)制為脈沖序列，每個脈沖序列里包含三個子脈沖，能量分配比例為1: 1: 1，兩個脈沖延遲時間I和2在O-1ps的范圍內(nèi)分別獨立可調(diào)，由脈沖整形器控制，利用半波片和偏振片的組合連續(xù)調(diào)節(jié)脈沖序列的總能量；
[0033]步驟三:用雙面膠把熔融石英樣品固定在載玻片上，再把載玻片固定在電控六維移動平臺上，并將平臺調(diào)至水平；
[0034]步驟四:把步驟二所得到的飛秒激光脈沖序列通過光路入射到豎直放置的五倍物鏡中聚焦，借助照明和CCD成像系統(tǒng)使激光焦點聚焦到樣品表面，形成垂直入射；
[0035]步驟五:降低激光的重復(fù)頻率，使得每個脈沖序列之間的時間間隔3大于15ms，通過一個電腦控制的機械開關(guān)精確控制輻照到樣品表面的脈沖序列個數(shù)。
[0036]在15 μ J的總能量和10個脈沖序列的輻照下，
[0037](I)脈沖延遲為tfO&tfO-lps, tfO-lps&tfO的條件下可以得到周期為~600nm,方向平行于激光偏振的近波長一維周期性結(jié)構(gòu)。
[0038](2)脈沖延遲為` tfSOfs&tflOOfs-lps 和 tflOOfs-SOOfs&tfSOfs 的條件下可以得到直徑為100-150nm，高度為200nm的三維圓錐狀周期性結(jié)構(gòu)；如圖2所示。
[0039](3)脈沖延遲為 tflSO-^Ofs&tflOOfs 和 tplOOfs&tflSO-^Ofs 的條件下可以得到周期為~200nm，方向垂直于激光偏振的亞波長一維周期性結(jié)構(gòu)。
【權(quán)利要求】
1.基于電子動態(tài)調(diào)控的三維周期結(jié)構(gòu)加工方法，其特征在于:通過以下技術(shù)來實現(xiàn)的: 步驟一、設(shè)計飛秒激光脈沖序列； 具體設(shè)計方法為:通過脈沖整形器進行飛秒激光脈沖整形，將一個脈寬為nfs的激光脈沖在時域上分成三個脈寬均為nfs的子脈沖，其中30fs < n < 200fs ;三個子脈沖間的兩個脈沖延遲分別為h和t2，且h和t2均為飛秒量級，分別獨立可調(diào)，從而得到一組飛秒激光脈沖序列；然后在飛秒尺度調(diào)整脈沖延遲參數(shù)，使得飛秒激光脈沖序列與加工材料相互作用過程中能改變材料的局部瞬時電子動態(tài)； 步驟二、將步驟一得到的飛秒激光脈沖序列，入射到加工物鏡中聚焦，并保持激光焦點聚焦到樣品表面； 步驟三、通過置于脈沖整形器入口前的光學(xué)器件調(diào)整脈沖序列的總能量，使之高于樣品材料的燒蝕閾值； 步驟四、用調(diào)整能量后的飛秒激光脈沖序列按照圖紙進行加工，通過脈沖整形器控制 和t2的大小，得到不同的周期結(jié)構(gòu)； 所述周期結(jié)構(gòu)為激光燒蝕導(dǎo)致表面材料去除后得到的具有特定周期的結(jié)構(gòu)，為由凹槽和凸起組成的一維類光柵結(jié)構(gòu)，或者三維圓錐狀周期結(jié)構(gòu)； 具體控制方法如下: 當(dāng)調(diào)節(jié)其中一個脈沖延遲A或t2小于nfs時，飛秒激光脈沖序列輻照樣品表面得到周期為近波長的一維類光柵結(jié)構(gòu)，此時調(diào)節(jié)另一個脈沖延遲不會對周期結(jié)構(gòu)的類型產(chǎn)生影響，只改變一維類光柵結(jié)構(gòu)的周期； 當(dāng)調(diào)節(jié)其中一個脈沖延遲h或t2大于等于nfs而小于2nfs，調(diào)節(jié)另一個脈沖延遲至大于2nfs時，得到三維圓錐狀周期結(jié)構(gòu)； 當(dāng)調(diào)節(jié)和t2均大于等于2nfs時，得到亞波長的一維類光柵結(jié)構(gòu)，且一維類光柵結(jié)構(gòu)方向與近波長的一維類光柵結(jié)構(gòu)垂直； 步驟五、控制輻照到樣品表面的脈沖序列個數(shù)，使得總個數(shù)小于50，以得到均勻的周期結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電子動態(tài)調(diào)控的三維周期結(jié)構(gòu)加工方法，其特征在于:所述局部瞬時電子動態(tài)包括電子激發(fā)、電離、復(fù)合過程以及自由電子密度、溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電子動態(tài)調(diào)控的三維周期結(jié)構(gòu)加工方法，其特征在于:相鄰兩組飛秒激光脈沖序列間的時間間隔為ms-s量級。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電子動態(tài)調(diào)控的三維周期結(jié)構(gòu)加工方法，其特征在于:所述加工材料為絕緣體。
【文檔編號】B23K26/046GK103639601SQ201310706949
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月19日
【發(fā)明者】姜瀾, 史雪松, 李欣 申請人:北京理工大學(xué)